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GPS软件接收机的数据处理及实现

作　者: 易盛
导　师: 茅旭初
学　校: 上海交通大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 全球定位系统 GPS软件接收机信号处理星历解调位置解算
分类号: TN967.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 500次
引　用: 2次
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内容摘要

全球定位系统GPS(Global Positioning System)可以在全球范围内为数量不限的海陆空用户提供全天候的、连续精确的位置、速度和时间信息。GPS软件接收机是用软件的方式对GPS信号进行处理,具有高度的灵活性:可以方便地研究和实现新算法;也可以灵活地对软件进行修改来适应GPS信号的变化,如信号结构和信号强度的变化。本文主要的研究工作在于GPS的数据处理和GPS软件接收机的实现,具体如下:1.采用以GP2015为主芯片的射频前端将GPS中频数字信号采集到计算机上保存;然后基于采集的数据,对GPS信号的捕获、跟踪及解算等接收机的关键技术开展研究。2.捕获跟踪方面,首先介绍了捕获和跟踪的流程和基本算法。针对微弱GPS信号难以捕获的情况,提出了一种新的微弱GPS信号捕获算法来提高捕获性能。经过对仿真信号的捕获实验验证,这种新的算法能够使接收机的微弱信号捕获能力得到提高。3.星历解调和定位解算方面,从跟踪结果开始,奇偶数据位校验,提取出导航电文,计算卫星瞬时位置;利用本地参考时间与子帧起始处的时间差计算出伪距;由卫星瞬时位置及用户伪距,根据定位方程迭代计算出用户位置,与实际坐标比较证明了软件GPS的实现的可行性。提出了一种使用陈旧星历对卫星星历进行预测的方法,可以使用陈旧星历进行粗略的定位,提高首次定位速度,并且在由于信号微弱而使卫星难以跟踪的情况下也能进行定位。4.软件接收机结构和界面设计方面,通过比较基本的硬件和软件接收机结构,对常规的软件接收机结构进行了改进,在软件接收机流程中采用闭环设计。界面采用Linux下Qt Designer进行设计,展示了界面设计结果,将运行模块和图形界面分离,仅由界面进行调用,使得软件接收机的配置更加灵活。总而言之,本文对GPS软件接收机的关键技术展开研究,对GPS信号处理,定位解算,以及软件接收机的软件架构进行了改进和开发实现,并通过GPS实验,论证了本文所提方案的可行性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-19
  1.1 引言  13-14
  1.2 研究背景及现状  14-16
  1.3 研究内容与方法  16
  1.4 论文内容及安排  16-19
第二章 GPS 原理介绍  19-32
  2.1 GPS 系统概述  19-22
    2.1.1 GPS 空间段  19-20
    2.1.2 GPS 控制段  20-21
    2.1.3 GPS 用户段  21-22
  2.2GPS 信号处理  22-27
    2.2.1GPS 信号的特性  22-26
    2.2.2GPS 信号的捕获和跟踪  26-27
  2.3 导航信息解调  27-28
  2.4GPS 利用到达时间测量值测距的原理  28-31
    2.4.1 确定从卫星到用户的距离  28-31
    2.4.2 用户位置计算  31
  2.5 本章小结  31-32
第三章 GPS 信号的处理及对微弱 GPS 信号的捕获  32-51
  3.1GPS 信号捕获算法  32-37
    3.1.1 线性搜索  32-34
    3.1.2FFT 搜索  34-35
    3.1.3 信号的搜索检测  35-37
  3.2GPS 信号跟踪算法  37-44
    3.2.1 载波跟踪环  38-42
    3.2.2 码跟踪环  42-44
  3.3 基于批处理和差分相干积分的 GPS 微弱信号捕获算法  44-50
    3.3.1 批处理的捕获模型  44
    3.3.2 差分相干的捕获模型  44-46
    3.3.3 改进后的算法  46-48
    3.3.4 改进算法的仿真实验结果  48-50
  3.4 本章小结  50-51
第四章导航数据解调和位置解算  51-65
  4.1 导航电文的奇偶校验  51-52
  4.2 从导航数据得到星历  52-55
    4.2.1 导航数据解算方法  52-54
    4.2.2 导航数据解算结果  54-55
  4.3 软件 GPS 接收机伪距的生成  55-56
    4.3.1 伪距的初始设置  55-56
    4.3.2 后续伪距的估计  56
  4.4 接收机的位置解算  56-60
    4.4.1 最小二乘法(ILS)  57-58
    4.4.2 扩展卡尔曼滤波法(EKF)  58-59
    4.4.3 ILS 和 EKF 的实验对比  59-60
  4.5 陈旧星历的使用  60-64
    4.5.1GPS 卫星周期和广播星历误差  60-61
    4.5.2 基于陈旧星历的接收机定位方法和实验  61-62
    4.5.3 陈旧星历定位实验结果及分析  62-64
  4.6本章小结  64-65
第五章软件接收机的实现和界面设计  65-76
  5.1 硬件 GPS 接收机结构  65
  5.2 软件 GPS 接收机的一般结构  65-66
  5.3 软件接收机的具体实现和结构改进  66-72
    5.3.1 射频前端和接口  66-67
    5.3.2GPS 信号的捕获流程  67-69
    5.3.3GPS 信号的跟踪流程  69-70
    5.3.4 导航信息解调流程  70-71
    5.3.5 接收机位置解算  71
    5.3.6 接收机结构的改进  71-72
  5.4 界面设计软件 QT 的介绍  72-74
  5.5 用户界面的设计与实现  74-75
  5.6 本章小结  75-76
第六章总结与展望  76-78
  6.1 本文总结  76-77
  6.2 研究展望  77-78
参考文献  78-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  81-84
上海交通大学学位论文答辩决议书  84

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